森林经营中的森林物种多样性研究

森林经营中的森林物种多样性研究

生态系统功能取决于生态系统的结构、生物多样性和一体化。目前生物多样性已成为全球生态学研究的热点问题,而生物资源则是生物多样性的物质体现。生物多样性是生态系统生产力的核心,也是一个群落结构和功能复杂性的度量。生物多样性表现在3个层面,即遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性。物种多样性是生物多样性在物种水平上的表现形式,是反映群落组织化水平、继而通过结构与功能的关系间接反映群落功能特征的指标。对物种多样性的研究可以更好地认识群落的组成、变化和发展。维持物种多样性已成为森林经营研究的一个主要内容。甘肃省小陇山林业实验局自上世纪60年代以来,对灌木林进行了不同模式改造,现已成为该地区主要的造林模式。本文对5种不同灌木林改造模式的乔木层树种多样性进行了研究,揭示这5种人工林树种多样性的特征,为该地区今后更好地制定经营措施,提高和保护树种多样性以及森林的生态恢复提供借鉴。1小陇山天然林小陇山林区位于甘肃省东南部,地处秦岭西端,我国华中、华北、喜马拉雅、蒙新四大自然植被区系的交汇处。地理坐标为104°22′～106°43′,北纬33°30′～34°49′,是暖温带向北亚热带过渡的地带,兼有我国南北气候特点,大多数地域属暖温湿润——中温半湿润大陆性季风气候类型。年平均气温7～12℃,极端最高气温39.2℃,极端最低气温-23.2℃,年平均降雨量600～900mm,相对湿度林区达78%,年日照时数1520～2313h,无霜期130～220天,干燥度0.89～1.29,属湿润和半湿润类型。区内的地带性土壤秦岭以北为灰褐土,以南为黄褐土。土层厚度30～60cm,较湿润,有机质含量高,一般氮含量中度,磷、钾含量较低,pH值6.5～7.5,土壤质地多属壤土、轻壤土和轻土。由于小陇山林区特殊的地理位置,加上特殊的环境条件,生物的地理成分、区系成分复杂多样,是甘肃生物种质资源最丰富的地区之一。小陇山林区海拔2200m以下主要是以锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrataMaxim.)和辽东栎(QuercusliaotungensisKoidz.)为主的天然林;由于长期破坏和不合理的利用,形成了多代萌生的灌木林,在栎林带内分布华山松(PinusarmandiFranch.)、山杨(PopulusdavidianaDode.)、漆树(ToxicodendronverniciflumF.A.Berkley)、冬瓜杨(PopuluspurdomiiRehd.)、千金榆(CarpinuscordataBl.)、甘肃山楂(CrataeguskansuensisWils.)、刺楸(KalopanaxseptemlobusKoidz.)等乔木树种,灌木有美丽胡枝子(LespedezathunbergiiNakai)、光叶绣线菊(SpiraeajaponicaL.f.var.fortuneiRehd.)、中华绣线菊(SpiraeachinensisMaxim.)、胡颓子(ElaeagnuspungensThunb.)、华北绣线菊(SpiraeafritschianaSchneid.var.parvifoliaLiau)、连翘(ForsytiasuspenseVahl)、卫矛(EuonymusalatusSieb.)、山豆花(LespedezatomentosaSieb.exMaxim.)等。小陇山灌木林林地改造分为两大类,即全面割灌改造与带状割灌改造。全面割灌改造是在天然灌木林地上进行全面清理灌木与杂草,保留有益的母树、幼树和幼苗,在山脊两侧各留5m宽的边际隔离带,进行穴状整地,整地规格为40cm×40cm×30cm,造林密度为4950株/hm2,植苗后到郁闭前对幼林进行3～5次抚育,成林后每隔10～15a进行一次抚育间伐,间伐强度为20%～40%,主要有华山松林、油松林和日本落叶松林3种改造模式;带状割灌改造是在天然灌木林地上进行带状割草除灌,保留有益的母树、幼树和幼苗,灌木割除带一般为8～12m,保留带为2～4m,山脊两侧保留5m宽的边际隔离带,穴状整地,规格为40cm×40cm×30cm,造林密度为3330株/hm2,植苗后到郁闭前对幼林进行3～5次抚育,至今尚未进行抚育间伐,主要有华山松林与油松林2种改造模式。2学习方法2.1带树不同模式造林树种在小陇山林业实验局李子园林场张家大沟营林区选取2个全面割灌改造模式林分,造林树种为华山松(模式1)、油松(模式2);在李子营林区选取全面割灌日本落叶松改造模式(模式3);在舒家坝营林区选取2个带状割灌改造模式,造林树种为华山松(模式4)和油松(模式5)。对5种不同改造模式的典型林分进行抽样调查,调查采用点抽样的方法,即从一个随机点开始,每隔一定距离(以调查的参照树的最近4株相邻木不重复为原则)设立一个抽样点,在林分中走蛇形线路,调查距抽样点最近4株胸径大于5cm树的属性(树种名称、胸径大小),同时调查参照树与相邻树构成的结构单元树种数,在一个改造模式坡面上设立抽样点为20个,每个抽样点调查4个参照树的信息,每个参照树涉及5株树,共调查20×4×5=400株树木的信息。2.2wiwell-ro合作指数r综合大多数学者的分析方法,本研究以乔木层树种的个体数为基础,采用以下几类指数来分析甘肃小陇山5种不同灌木林改造模式林分的树种多样性和建群种的特征:1)Shannon-Wiener指数:H′=−∑i=1spilnpiΗ′=-∑i=1spilnpi,式中:pi为第i个树种株数在林分树木总株数中所占百分比,S为林分中树种的数目;2)Margalef丰富度指数:R1=(S-1)/lnN,式中:S为树种数,N为所有树种的个体总数;3)Pielou均匀度指数:E=H′/lnS,式中:H′为Shannon-Wiener指数,S为树种数;4)Simpson多样性指数:λ=∑1s(pi)2λ=∑1s(pi)2,式中:S为树种数,pi为第i个树种株数在林分树木总株数中所占百分比。3结果与分析3.1林分树种组成5种灌木林改造模式的树种组成除主要造林树种外,各模式中树种的组成和树种数不同(见表2)。表2表明,全面割灌改造模式林分树种组成较带状割灌改造模式简单,林分内胸径达到5cm抽样标准的树种只有7个,而带状割灌改造华山松模式和带状改造油松模式林分内树种较为丰富,分别为16种和11种;各林分中除主要造林树种外,其它组成树种也存在着较大差异,模式1、模式2和模式3中,大多数树种为当常见的树种,但只有部分树种相同,而模式4与模式5除当地常见的树种外,还有个别稀有种,例如刺楸即为当地的稀有种,这与林分改造前灌木林的树种组成是密不可分的,即无论是全面割灌改造还是带状割灌改造,土壤种子库为林分中其它树种的进入提供了物质条件;此外,带状割灌改造保留的带状灌木林为其它树种进入改造林分创造了必要的条件,是导致其较全面割灌树种丰富的重要原因。3.2林分多样性分析森林群落的主要层片是乔木,而乔木层片中的优势树种是森林群落的重要建造者,在森林生态功能的发挥中也起着主导作用。物种多样性是指物种的数目及其个体分配均匀度两者的综合,它能有效地表征生物群落和生态系统结构的复杂性。本文针对林分的乔木层树种选取了4个多样性指标对5种不同林分类型的树种多样性进行了分析(见表3)。表3说明,带状割灌改造华山松模式(模式4)Shannon-Wiener指数与Margalef指数在5种林分中最高,带状割灌改造油松模式次之;3种全面割灌清理改造模式的Margalef指数相同,表明3种模式中的树种数相同,而Shannon-Wiener指数则是全面割灌清理改造华山松最大,改造日本落叶松最小,5种林分的多样性及物种丰富度大小依次为:带状割灌改造华山松(模式4)>带状割灌改造油松(模式5)>全面割灌清理改造华山松(模式1)>全面割灌清理改造油松(模式2)>全面割灌清理改造日本落叶松(模式3);Simpson指数又称优势度指数,其值越大,生态优势度越大即优势树种的集中性越大,物种多样性越小。Pielou均匀度指数反映的是各物种个体数目分配的均匀程度,值越大则说明物种分配的均匀程度越高。5种林分类型的Pielou指数排列顺序为带状割灌改造油松(模式5)>带状割灌改造华山松(模式4)>全面割灌清理改造华山松(模式1)>全面割灌清理改造油松(模式2)>全面清理割灌改造日本落叶松(模式3),与Simpson指数的排序正好相反。由此表明,模式4的树种数在各林分中虽然是最大的,但林分中的各树种分布的均匀程度却较模式5差,优势树种的集中性较高,模式4与模式5的均匀度较模式1、模式2、模式3高,而优势树种的集中性低;模式1、模式2、模式3相比较,模式3的均匀程度较低,优势树种集中性较高。以上分析表明,带状割灌改造模式较全面割灌清理改造模式的树种丰富,多样性高,树种分配均匀,优势树种集中性低,带状割灌改造保留一定宽度的灌木带是林分树种多样性较高的主要成因。此外,值得注意的是,日本落叶松作为外来引进树种,全面割灌清理改造日本落叶林分的树种丰富度虽然与其它两种改造树种林分的相同,但林分内树种的分配均匀程度以及优势树种的集中性都较其它两种模式差,说明日本落叶松改造模式不利于林分树种多样性的提高,这对当地进行林地改造及恢复具有一定的借鉴意义。3.3林分类型中油松株数比例与松树断面积比例比例的变化为进一步了解5种不同林分类型的树种组成特征,对林分的建群种的优势程度进行分析。表4表明:1)改造树种华山松、油松、日本落叶松在各林分中无论是断面积还是株数比例均占绝对优势,均达到70%以上。其中,模式1、模式2、模式3改造树种在林分中的断面积比例高达87%以上,分别为87.2%、95.5%和93.3%,模式2中油松的断面积比例最高,但其株数比例却较模式3低,结合各林分的林分因子特征可以发现,模式2林分中油松的胸径在各林分中是最大的,这是其断面积比例较高的原因。同样在模式4与模式5中,模式5中油松断面积比例较模式4高,但其株数比例却比较低。2)总体来看,5种林分类型中带状割灌改造林分造林树种的断面积比例与株数比例均较全面割灌清理改造模式林分低。一方面虽然模式1、模式2、模式3都经过2～3次抚育间伐,但初始造林密度大是其株数比例较高的一个原因;另一方面是由于这3种模式的林龄较长,树木胸径较大,因此断面积也较大。3)这3种林分中由于其它阔叶树种的进入,造林树种的比例也开始呈下降趋势;进一步分析林分中组成树种林分因子发现,在模式1、模式2与模式3中,更新树种绝大多数为个体较小,胸径介于5～10cm的小树,而在模式4与模式5中,其它树种与改造树种在胸径与树高方面的分化差异不大,这也是造成模式4与模式5中改造树种的株数比例与断面积比例较低的主要原因。以上分析表明,带状割灌改造模式较全面清理割灌改造模式能降低主要改造树种的比例,有益于提高林分多树种混交,对提升人工林生态系统的生产和保护功能起到积极的促进作用。4不同改造模式林分树种多样性的比较1)甘肃小陇山5种不同灌木林地改造模式中,带状割灌改造华山松与油松模式的树种较全面割灌模式丰富,林分中的阔叶树种除当地的常见种外,还有个别稀有种出现,带状割灌改造模式保留带为其它阔叶树种进入林分提供了必要的条件。2)带状割灌改造模式的Shannon-Wiener指数与Margalef指数较全面清理改造模式高,树种多样性较高,同时,带状割灌改造模式林分内树种分配较均匀,改造树种的集中性较低,有利于提高林分的树种多样性;外来树种日本落叶松改造林分的各项多样性指标都较其它几种模式差,从保持树种多样性的角度来说,日本落叶松不利于提高林分的多样性。3)3种全面清理割灌改造模式林分中改造树种的断面比例与株数比例都比例高,树种混交程度较差,带状割灌改造有利提高林分多树种混交程度,对提升人工林整体防护与生产功能有积极的促进作用,而且有利于保持树种多样性和保护当地的稀有种与濒危树种,对恢复当地的地带性植被组成具有一定的借鉴意义。综合以上结论,人工林生态系统与天然林生态系统相比,人工林虽然能实现许多天然林所具有的生产和防护功能,但人工林生态系统不具有天然林生态系统组成最复杂、生物种类最丰富和功能最完善的特征。因此,用人工林取代天然林植被会简化现有的生态系统。人工林生态系统在保护物种多样性方面的潜在作用仍然存在争论,但不可否认的是,与人工纯林相比,营造混交林可以提高林分的物种丰富度,增加林分结构的多样性,从而为更多物种提供适合生存的环境,最终提高物种的多样性。从小陇山5种不同林分类型的树种多样性可以看出,不同的改造模式形成的林分,